土体抗拉张力学特性研究现状与展望

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土体抗拉张力学特性研究现状与展望

1引言

在传统工程地质环境及土力学性质的研究中，土体通常不主动作为抗拉材料使用，认为土的抗

拉强度很小或几乎视为零[1,2],实际工程中土体的抗拉强度常常被忽略，多侧重于抗压和抗剪，

对抗拉张的研究较少[3,4].然而，许多工程问题中的土体会发生开裂现象，诸如红色问题土中常

见的崩岗[5]、滑坡以及黄土中常见的滑塌[6]等地质灾害孕育过程中坡顶几乎都产生的张拉裂

缝[7,8],其破坏模式是拉张和剪切的耦合，都与其抗拉张力学特性密切相关。

抗拉张强度是评价非饱和土的崩岗、崩塌及土坝、堤防、路基、垃圾填埋场等边坡的稳定性的

重要参数，黄文熙[9]早就指出抗拉张是黏性土的一个比较重要的力学性质。试验研究表明

[4,10]

天然非饱和黏性土的抗拉强度一般可达到十几到几十千帕，从抗拉力学角度，土体的抗拉强度

几乎相当于同等面积内 2m×3m 间距锚杆的抗拔力。可见，抗拉强度在土体稳定性中起着相当

重要的作用，忽略土的抗拉张强度显然是对土的强度认识上的不全面。

本文从土体抗拉张力学特性的实验研究和理论分析 2个角度出发，介绍并对比分析了国内外土

体抗拉张力学特性的试验以及理论方面的最新研究，通过总结分析历史上大量的岩土破坏试验

抽象概括出了土体的 8种破坏模式，随后认为土体变形破坏的实质是拉剪耦合的渐进性发展过

程，并指出研究非饱和土抗拉特性的核心问题就是要弄清土体抗议与粒间吸力之间的关系，最

后总结了研究现状中存在的主要问题，展望了今后的研究与发展方向。

2抗拉张力学特性试验研究

土体的抗拉张力学特性的测试主要在室内进行，分 2类：一类是直接测定法，即单轴拉伸试验

和三轴拉伸试验方法；另一类是间接测定方法，包括径向压裂试验、弯曲梁试验和环状试样法

等。比较土体抗剪特性及理论的研究，土体抗拉张特性的研究程度无论从试验手段还是从理论

方面都还是远远落后的。例如，至今仍没有统一规范并获得业界普遍认同的土体抗张特性测试

仪器。不过，当前抗拉张的新型试验仪器及间接测试方法不断涌现，不少学者开始重视土体抗

拉张力学特性的研究，这些极大地促进了土体抗拉张特性的试验和理论研究。

土体的抗拉张特性试验的研究始于20 世纪 50 年代，20 世纪 50~70 年代，抗拉张特性的研究主

要在于探索土的抗拉强度基本测试方法上[11~19].

1951 年，Haefeli[11]首先用直接拉伸试验，研究了饱和黏性土在不同围压下的抗拉强度和破坏

形式，拉开了研究土体抗拉强度的序幕。随后 Tchbotarioff 等[12]亦采用单轴拉伸试验方法，对

矿物组成不同的黏性土开展了试验研究，得出了主要几种黏土矿物抗拉强度的基本特

性。Vomocil 等[13]采用离心机方法测试了 5种砂土的抗拉强度随含水量和密度的变化规

律。Farrell 等[14]采用无侧限压力的直接拉伸试验测试了重塑黏土在不同的土水吸力条件下的

拉应力，试验结果显示拉应力随含水量的增加而呈抛物线性减小，与 Vomocil 等[13]的研究结

果相似。

1960 年，Parry[18]首先采用三轴拉伸试验研究黏性土的抗拉强度，试验结果表明土的拉伸应力

应变特性受围压、超固结比以及排水条件的影响。Bishop 等[19]的三轴试验结果进一步表明黏

土的抗拉强度与小的围压变化几乎没有关系。

而后不久，混凝土抗拉强度间接测试方法---巴西劈裂法试验也被引进用于研究含水率对土体抗

拉强度的影响[20].Krishnayya[21]在径向压裂试验中设计了一种特殊的电测工具，使得径向压裂

法能够同时测出黏土的抗拉强度和应力应变关系曲线。

抗拉张试验方法的多样性，使得人们有条件来对比研究不同试验方法对土体抗拉张力学特性的

影响规律。Yoginder[22]开创了抗拉强度对比试验的先河，对比黏性土三轴拉伸试验和单轴拉

伸试验中的抗拉特性。Kezdi[23]和Ajaz 等[24]采用单轴拉伸、无侧限压缩和土梁弯曲试验，对

比研究了土体的 3相物理组成对土的抗拉强度的影响。

我国开展抗拉张力学特征的研究起步稍晚，始于20 世纪 70 年代初。1973 年，清华大学土石坝

抗裂研究小组比较了单轴拉伸试验和土梁弯曲试验测试的结果，得出土体抗拉强度和拉伸变形

模量均随含水量的增大而降低及随干密度的增大而增高的认识[25].

20 世纪 80 年代开始，国内外的研究在土体抗拉强度测试方法创新及完善过程中[26],进入了抗

拉强度力学基本特性研究阶段。Fang 等[27]采用无压渗透技术新方法测试土体的抗拉强度，指

出拉伸强度与土体的液塑限、活性指数、韧性指数、无侧限抗压强度、凝聚力及内摩擦角具有

相关性。现场试验测试土体抗拉张强度开始于20 世纪 80 年代初[28].

这时期新的试验内容和试验方法也不断出现。钮泽明等[29]试验研究了循环加卸荷载、干容重

与含水量、加荷速率几个因素对黏性填土单轴抗拉强度的影响规律。Mosaid[30]采用空心圆柱

内牙劈裂试验测试了压实黏性土的特性参数。Snyder 等[31]采用气动断裂法新技术测量了非饱

和土的拉伸强度。

20 世纪 80 年代后期到20 世纪末，国内外学者对土体抗拉强度的研究记载突然少见，几乎有十

余年的断层，只是零星地开展了一些抗拉强度方面的研究，如 Nearing 等[32]通过试验测试土

体抗拉强度特征，证明土体扰动后抗拉强度为原状土抗拉强度的 33%;骆亚生等[33]通过单轴拉

伸试验，对黄土的抗拉强度与含水量、干密度、饱和度及基质吸力间的关系进行了探讨，取得

了几项较为明显的规律。

进入21 世纪后，随着各种试验仪器、设备更加完善，又迅速有了更广泛和更深入的新发展，

更重视土的成分、物性和结构等因素对抗拉张强度的影响。此阶段，抗拉张的测试方法不断探

索，涌现出了大量的新测试方法和测试仪器[34~44].例如，Tang 等[34]采用应变控制式加载方

式利用单轴拉伸试验研究了非饱和黏性土的抗拉特性，Tamrakar 等[35]研制的在直剪仪上改制

卧式单轴拉伸试验仪以测试断裂韧度的方法，党进谦及其带领的团队[36~41]研发了新型卧式单

轴土工拉伸仪，李晓军等[42,43]研制的可以配合计算机层析（CT）扫描的圆环内壁施加径向压

应力的拉裂法[44].这一时期国际上，抗拉张试验方法比较创新、理论比较成熟、操作亦比较简

单的测试方法有以下3种：

（1）Kim 等[45]改进了 Perkins[46]研制的土样直接拉伸试验装置，测试了 3组不同密度和 4组

不同含水量的重塑土的抗拉强度，土样盒（178mm×178mm×178mm）由 2个对称的半盒子组

成，盒子内部固定了 4个三角楔形以利于试验时试样从断面最短处断开。之后，Arslan 等[47]

进一步用此装置测试了月壤的抗拉张特性，Kim 等[48]亦根据需要改进了此装置，然后测试了

非饱和砂性土由毛细吸力引起的抗拉强度。

（2）Ibarra 等[49]采用液压机和土样车床把原圆柱形土样重塑并制成计时沙漏形，然后在自制

的拉伸装置上测试了不同含水量和密度的重塑黏土的抗拉强度。

（3）Akagawa 等[50]采用Tamrakar 等[51] “论述过的力学性状较好的横8”字形土样，测试了 0~-

2℃的冻土的抗拉强度，试验结果表明土孔隙中冰的结构是冻土相对非冻土具有高抗拉强度的

主要原因。

在国内，进入21 世纪后也涌现了不少具有创新性的新测试方法和测试仪器。孙萍等[52~54]采

用卧式单轴拉伸土工拉伸仪（属应力控制式），所用试样直径 39.1mm、高80mm,试验结果表

明不同含水率的原状黄土在拉伸过程中均没有明显的颈缩现象，断裂面粗糙，基本垂直于拉应

力方向，属于脆性断裂，与邢义川等[55]的试验结果相同。李荣建等[56]和宋焱勋等[57]通过电

动控制加载的土梁弯曲试验机采用土梁弯曲试验测试了原状黄土和重塑黄土的抗拉强度，其中

原状土梁试样通过原状土梁削样器制备，重塑土梁试样通过重塑土梁压样器制备，试样尺寸为

240mm×30mm×30mm（长×宽×高）的长方体土梁试样。试验结果表明通过 Mohr-coulomb 强度

线的反向延长线确定的抗拉强度明显夸大了土体的实际抗拉强度（超过了 3倍以上）。胡海军

等[58]对原有的动三轴仪器进行改造，使设备能够实现轴向施加拉力（应力控制式），改装的

仪器不仅能够实现单轴抗拉强度试验，而且能实现带围压的三轴减载伸长试验，其试验结果表

明，层面会对重塑黄土的抗拉强度强度产生影响。

李春清等[59]用兰州市九州开发区的重塑黄土，用轴向压裂法系统研究了黄土在不同的加载速

率、试样高度、制样方法、加载圆柱直径时的抗拉强度。

试验结果表明，静压制样优于击实制样且其抗拉强度较大，抗拉强度测试值随加载圆柱体直径

呈线性增大，高径比为 1 1∶的试样的抗拉强度最稳定。张绪涛等[60]针对现有土工直接拉伸试

验装置的不足，研制了一套卧式直接拉伸试验装置，该装置由拉伸加载系统、数字液压伺服控

制系统和数据采集分析系统 3部分组成。试验装置可开展多种易成型材料的直接拉伸试验，能

精确测试材料的抗拉强度并能给出拉应力-应变曲线；巧妙设计了加载夹具，解决了试验材料

与拉伸装置的连接难题；能精确连续控制试验拉力，并能获得材料抗拉强度峰后段的拉应力-

应变曲线。

与此同时，抗拉强度的研究范围逐渐拓宽甚至出现交叉学科研究领域。Rahimi 等[61]的平行试

验表明有机物含量越高，土体抗拉张强度越大，这个结论值得今后研究重视，因为抗剪强度与

有机质含量一般恰好成反比。Kavdir 等[62]的试验表明，土的拉伸强度和团聚体的稳定性可成

为土体结构质量指标，可用于确定土地利用类型。Zeh 等[63]对基质吸力和土体结构影响下压

实土的抗拉强度试验结果表明，在压实过程中，孔隙的大小、颗粒排列等对抗拉强度影响很

大。在近几年抗拉强度研究中，干密度、前期固结压力、含水率、无侧限抗压强度、拉伸速

度、土-水特征曲线、Mohr-Coulomb 参数、围压及其他非饱和土参数等重要影响因素得到试验

研究[64,65].

3抗拉张力学特性理论研究

除少数土体以外（淤泥、饱和软黏土等），自然界土体大多为非饱和土，所以土体抗拉张特性

的理论研究理应集中于非饱和土。非饱和土的抗拉强度主要来源于颗粒间的粘结和分子引力形

成的凝聚力、胶结物质的形成胶结力和表面张力形成颗粒间的吸附力等 3种作用力[36].宏观

上，经常有学者将摩尔-库伦的负半轴作为土体的抗拉强度[66],实际上由于负半轴的高度非线

性，直接将负半轴包络线作为抗拉强度是严重高估了非饱和土的抗拉强度的[67,68].

一般来讲，颗粒间的吸力越大，粒间的胶结强度越高，非饱和土抵抗拉张应力的能力越强。许

多抗拉张力学行为的研究表明，由吸力引起的粒间吸附作用是非饱和土抗拉强度的一个重要组

成部分。众所周知，非饱和土吸力的存在，使得非饱和土的力学性质较之饱和土的复杂得多，

其强度一般也要大于饱和土的强度。当今许多的非饱和土有效应力公式及强度计算公式中都包

含了土颗粒的粒间吸力（如基质吸力或湿吸力等）对非饱和土强度的贡献[69~74].

鉴于非饱和土颗粒间的吸力影响着颗粒间的联结强度，即土颗粒间吸力的变化必然引起抗拉强

度的变化，因此诸多学者从这个角度进行研究并取得了一些可喜的成果[64~68].Vesga 等[69,70]

将非饱和土分为饱和状态、索带状态、完全钟摆状态和部分钟摆状态等4种状态，之后又给出

了各种状态下颗粒间有效应力的表达式。Cho 等[71]认为处于完全钟摆状态的非饱和土颗粒间

的毛细吸力 F由基质吸力 s和表面张力 Ts 引起，其表达式为：

式中：r1 和r2 分别为水气在分界面处的半径。Pierrat 等[72]给出了处于部分钟摆状态的非饱和

土颗粒间的毛细吸力的表达式，并给出了如图1所示的关系曲线图。由图1可见，如果2个颗

粒间是直接接触的或者颗粒间的间距 d=0,那么在低饱和角时颗粒间的毛细吸力 F有最大值。但

是，当土颗粒不是直接接触时，在低饱和角时颗粒间的毛细吸力 F可能会为零。

Vesga 等[73]采用直接（单轴）拉伸试验和间接（巴西劈裂）拉伸试验分别测试了高岭土在不

同含水量（不同水气状态）时的抗拉强度（图2），结果表明高岭土的抗拉强度先随着含水量

的增加而增加，之后随着含水量的增加而减小。Lu 等[74]

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摘要：

土体抗拉张力学特性研究现状与展望1引言在传统工程地质环境及土力学性质的研究中，土体通常不主动作为抗拉材料使用，认为土的抗拉强度很小或几乎视为零[1,2],实际工程中土体的抗拉强度常常被忽略，多侧重于抗压和抗剪，对抗拉张的研究较少[3,4].然而，许多工程问题中的土体会发生开裂现象，诸如红色问题土中常见的崩岗[5]、滑坡以及黄土中常见的滑塌[6]等地质灾害孕育过程中坡顶几乎都产生的张拉裂缝[7,8],其破坏模式是拉张和剪切的耦合，都与其抗拉张力学特性密切相关。抗拉张强度是评价非饱和土的崩岗、崩塌及土坝、堤防、路基、垃圾填埋场等边坡的稳定性的重要参数，黄文熙[9]早就指出抗拉张是黏性土的一个比较重...

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